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鉆孔雷達:孔中勘察的另一類“利器”
發布時間:2021-09-22 瀏覽次數:1490 來源:歐美大地

鉆孔雷達方法是一種確定地下介質分布的廣譜電磁技術,它能在巖土介質中穿透一定的距離,使用的頻率通常在50~250MHz。



01 # 鉆孔雷達 # 基本原理

鉆孔雷達與地面使用的地質雷達原理相同,它利用一個天線發射高頻寬帶電磁波,另一個天線接收來自地下巖土介質的發射波。雷達波的傳播受到巖土電磁性質及幾何形態的影響,接收端電磁波強度和波形將隨之發生變化。據此,根據接收端電磁波的雙程走時(Travel Time)、振幅(Amplitude)和波形(Waveform)資料,可以推測出地下巖土介質的結構特征。


02 # 鉆孔雷達 # VS  地面雷達

地面雷達的使用經常由于地表導電性的存在,其穿透深度限制在幾米范圍內。而孔中雷達不存在此問題,它是孔中雷達的一個主要優勢。與傳統的測井技術(它的探測范圍很短,<0.3m)相比,孔中雷達的探測范圍從1到50米以上(它與巖體的電導率、頻率及工作方式有關)。孔中雷達方法是常規的測井技術的補充。

另外,如果地下巖土介質電導率超過某一數值,雷達單孔反射測量(Single-hole Radar)將失去效用。由于在高導介質中電磁波不能以波的形式進行傳播,此時只能進行跨孔測量(Crosshole Radar)或孔中-地面測量(Vertical Radar Profiling, VPR),這兩種探測方法主要根據首波振幅和到達時間來獲取重要的地質信息。


# 瑞典Geoscanners

# BA-500鉆孔雷達天線

# 主頻485MHz

對于單孔反射方式,雷達提供鉆孔周圍基巖的不連續的圖像,包括基巖面、不同的巖性界面、裂隙及溶洞。根據天線和設備的類型,可以用方向性天線或非方向性天線進行測量。對于層析方式,發射和接收在不同的孔中,雷達提供鉆孔間的平面圖像。調查的半徑取決于天線的頻率和介質的電導率。對于一個中心頻率為100兆的天線,做反射時的探測距離在大阻抗的巖石中是10-40米,在導體、富粘土或泥巖中要小于5米。


在雷達反射探測方式中,發射天線和接收天線都放置于同一鉆孔中,且間距固定,用于傳輸信號觸發和數據采集的光纜可以消除普通電纜對收發天線的附加干擾,鉆孔雷達常用天線為偶極子天線,它能輻射和接收來自360°空間的信號

和地面地質雷達一樣,鉆孔雷達的解譯是在數據處理后所得的地質雷達圖像剖面中,根據反射波組的波形與強度特征,通過同相軸的追蹤,確定反射波組的地質特征。

當巖體中存在不良地質體(如裂隙、層理、斷裂、破碎帶、巖溶和地下水等)時,不良地質體與周圍巖體的電性差異較大,容易形成強烈的反射波,同時,還可能由于巖性的差異產生繞射波,并在時間剖面上形成雙曲線特征。

鉆孔雷達解譯的不同之處主要在于對空間的解釋,對于地面地質雷達來說,所有的反射都來自半空間,而對于鉆孔雷達來說,反射來自360°的徑向范圍。一般情況下,利用單孔雷達反射數據很難確定反射體的方位,而只能確定反射體的距離。當反射體為平面時,平面和鉆孔的夾角也可確定下來。對于點目標來說,反射信號的特征為雙曲線,對于未穿過鉆孔的裂縫來說,反射特征為一條斜線。斜線和鉆孔的夾角由裂縫與鉆孔的夾角決定。當裂縫穿過鉆孔時,反射特征像張開的剪刀,利用這些特征可以推斷裂縫的形態。



單孔反射鉆孔雷達記錄和實際裂隙對比


03 # 鉆孔雷達 # 跨孔層析成像

跨孔層析成像用于對兩孔間二維模型的物理特性進行處理,層析成像探測時,發射天線在一個鉆孔中,接收天線在另一個鉆孔中,發射天線在一個固定位置,接收天線在另一個鉆孔中沿固定間隔向下移動。典型的跨孔掃描如圖,探測一次需要移動幾百或幾千個次發射和接收天線。對每一個掃描,測量從發射天線到接收天線傳播的傳播時間和振幅。這些數據用于創立兩孔之間電磁波傳播速度的層析成像圖和衰減特性。速度和衰減的變化可以用來解釋破碎帶,不同巖性的界面和空洞。


雷達跨孔層析成像實測數據

使用鉆孔雷達天線是GPR測量中比較難以進行數據采集和解釋的。其中一個主要的原因是鉆孔雷達天線是非屏蔽和非定向天線。一個單孔采集的數據實際上是來自沿著井壁的360度平面,而非某個特定方向。這導致由天線距離來判定一個目標體的原則被削弱,井孔目標體的距離半徑和方位角無關。這也導致一個有趣和很容易被誤判的反射模式,即是兩個或更多在井孔某深度點同一半徑不同方位角的目標體反射疊合成一個。

解決這個問題的一個辦法是使用同一天線在同一區域的不同井孔采集數據。這可以通過后期數據處理三角定位目標體的真實位置。另一個建議是使用兩根天線,發射和接收天線分別放在兩個孔中,建立目標區域的層析圖像。


單孔反射鉆孔雷達實測數據


參考文獻

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[4] F.P.Haeni,Lucien Halleux等. 孔祥春編譯. 用孔中雷達對裂隙和溶洞進行探測和成圖. 地質雷達技術及其在工程檢測中的應用學術研討會, 2005


# 雷達孔中天線 # 演示活動

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